压电薄膜的应用

压电薄膜的应⽤
压电薄膜的应⽤与研究进展
1. 压电传感器的原理
压电传感器是利⽤某些电介质受⼒后产⽣的压电效应制成的传感器。

所谓压电效应是指某些电介质在受到某⼀⽅向的外⼒作⽤⽽发⽣形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表⾯产⽣电荷的现象。

压电材料可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。

2. 压电薄膜传感器
20世纪60年代，美国科学家发现在鲸鱼的⾻和腱内，存在着微弱的压电效应，于是开始了对其它有可能具有压电效应的有机材料的研究⼯作。

1969年Kawai（凯沃）发现在极化的含氟聚合物聚偏氟⼄烯（PVDF）中有很⾼的压电能⼒，其它材料如尼龙和PVC也都具有压电效应，但没有⼀种能像PVDF及其共聚物⼀样呈现出那么⾼的压电效应。

2.1 压电薄膜传感器的特点
PVDF压电薄膜通常很薄，不但柔软、密度低、灵敏度极好，⽽且还具有很强的机械韧性，其柔顺性⽐压电陶瓷⾼出10倍。

可以说是⼀种柔性、质轻、韧度⾼的塑料膜，可制成较⼤⾯积和多种厚度。

它可以直接贴附在机件表⾯，⽽不会影响机件的机械运动，⾮常适⽤于需要⼤带宽和⾼灵敏度的应变传递。

作为⼀种执⾏器件，聚合物很低的声阻抗，使其可以有效的向空⽓和其它⽓体中传送能量。

2.2 压电薄膜的压电效应和特性参数
共聚物聚偏氟⼄烯（PVDF）是⼀种经特殊加⼯后能将动能转化成电能的聚合体材料，具有很⾼的压电性能。

应⽤此种压电材料制成的传感器，当受到机械冲击或振动时，压电材料原⼦层的偶极⼦（氢—氟偶对）的排列顺序被打乱，并试图使其恢复原来的状态，这个偶极⼦被打乱的结果就是⼀个电⼦流的形成⽽产⽣电荷，这就是PVDF的压电效应。

此压电效应是可逆的，它可以把机械能转换为电能，也可以把电能转换为机械能。

即当有外载荷施加到传感器上时，就会产⽣电荷（电压），⽽当卸去外载荷时，就会产⽣⼀个极性相反的信号。

它产⽣的电压可以相当⾼，但传感器产⽣的电流却⽐较⼩。

传感器作动器
图1 压电效应原理图如图1所⽰，像“海绵挤⽔”⼀样，当压电薄膜受到压⼒的作⽤时，其厚度发⽣变化，并随之产⽣了相应的电荷，这些电荷在薄膜的上下电极上积聚，从⽽产⽣了与作⽤⼒⼤⼩相对应的电荷；相反，当给压电薄膜接通变化的电压信号，会使得薄膜的上下运动或振动，从⽽产⽣作动⼒或声⾳。

图2 电荷放⼤器原理图 V p = 1/C×d 33×F p (1)
传感器的压电电荷系数d33即将1N的⼒垂直作⽤于传感器⼯作区上，传感器正负电极输出的电荷量⼤⼩。

F p为垂直施加于传感器表⾯的作⽤⼒。

PVDF压电薄膜具有密度低、材质轻、灵敏度⾼、机械韧性好等特点，可制成多种厚度和较⼤⾯积。

作为⼀种传感器它的主要特性参数如下：（1）频带宽：0.001Hz～109Hz；
（2）动态范围⼴：10-8～109Psi（磅/平⽅英⼨）；
（3）声阻抗低：与⽔、⼈体组织和粘胶体系接近；
（4）弹性柔顺性好；
（5）⾼电压输出：在同样受载条件下，⽐压电陶瓷⾼10倍；
（6) ⾼介电强度：可耐强电场作⽤(75V/µm），此电场强度⼤部分陶瓷都退极化；
（7）机械强度⾼，耐冲击、振动性能好；
（8）稳定性⾼：耐潮湿、耐多数化学品、耐氧化剂、耐强紫外线和核辐射；
（9）可加⼯成特定形状；
（10）可以⽤市售胶粘合。

3. 压电薄膜传感器的应⽤与研究进展
3.1 ⽔听器
压电陶瓷制作的⽔听器存在抗冲击性能较差、较重、声阻抗与⽔不匹配，⽤在低频时尺⼨⾮常⼤等缺点。

为很好的解决此类问题，近年来国内外众多企业和科研院所对⼀种新型的PVDF压电薄膜⽔听器进⾏了深⼊创新。

⽬前,通⽤电⽓公司正在销售以2.5µm厚PVDF压电薄膜为基⽚的单膜⽚⽔听器,它们能⽤于医⽤和NDE 换能器1 并能进⾏0.5～50 HZ范围内的特性记述和校准。

由于这些装置的长期稳定性和可重复性,英国皇家实验室早在5年前就把它们作为对照装置。

⽔听器的这些特性已被利⽤来开发⼀种多元式的新型仪器。

⼀种360°⽔下扫描声纳系统由100个PVDF基⽚⽔听器组成,⽤于⽔下安全/救援装置。

这种装置由Marconi⽔下系统有限公司⼏年前⽣产。

该系统使⽤被动模式, 操作频率为1～1000 HZ ,也能以主动模式在三个不同的频率下⼯作。

⽤这种系统可以检测到3 km以外的⼩的潜⽔艇,也可以检测到600m以外的发动机,⾓度偏
差
⼩于5’。

最近的⽔听器计算模型表明,如对PVDF 元件进⾏合理的设计,在系统演⽰中,⽔听器可以检测到超过10 dB 的信号。

3.2 监测内⾐
在现代医疗物联⽹中，医⽣各类传感器监测病⼈信息，进⾏远程就诊已经称为未来发展的趋势。

台湾振兴医院给病⼈提供远程诊断服务，患者可以将⼀种压电薄膜传感器护⼼卡带回家，此卡收集病⼈⼼⾳并储存，通过电话语⾳将信息发送给医⽣进⾏远程诊断。

美国Infantrust 开发的⼀款名为Respisense 婴⼉监控仪，则是将压电薄膜夹在纸尿⽚贴近婴⼉腰部的位置，监控婴⼉⼼跳。

另⼀种新的应⽤正在被创新，即将压电薄膜传感器布置于内⾐内，实时监测病⼈的⼼⾳、脉搏、呼吸信息，并通过⽆线发射模块发射⾄病⼈或医⽣⼿机，完成⾃诊或医诊。

3.3 动态称重
⽬前⽤于动态称重的⼿段很多，主要有⽯英谐振式、压阻弯板式，但因其价格昂贵和动态反应慢缺点，在现代⾼速公路动态称重系统应⽤中收到很⼤的限制。

采⽤压电薄膜传感器是更为廉价、精确度更⾼、更⽅便施⼯的WIM 传感器。

此外，通过将压电薄膜传感器预埋设在U 型槽钢内，可⼤⼤提⾼测量的准确性、也⽅便了现场施⼯。

图3 压电薄膜铺设原理图经过⼀段时间的准备和研究, 利⽤公路路⾯上临时铺设的压电薄膜轴和设计的数据采集处理系统, 进⾏了⼤量路⾯试验, 初步验证了压电薄膜轴的称重原理及其经验公式:
W = C ×S ( 2)
式中: C 为调整系数, 可利⽤已知重量W的车辆通过压电薄膜轴的试验后确定, C=W/ S, S为对应W的信号曲线⾯积A和车辆速度V的乘积, 即S= A×V。

根据试验所得到的波形图, 在计算车辆重量的同时也可以计算出车速、轴距和轮距, 从⽽实现动态称重。

1) 车速。

2条平⾏放置的压电薄膜间距L。

已知, 当同⼀根车轴先后通过这两条压电薄膜, 会先后产⽣2个脉冲信号, 测出2个脉冲信号上升沿之间的间隔时间Δt,可以得出该车辆的⾏驶速度V= L /Δt。

2) 求轴距和轴数。

当轴数为N的同⼀辆车的不同车轴先后通过同⼀条平⾏放置的压电薄膜时, 会产⽣N个脉冲信号, 通过测出前后脉冲信号上升沿之间的间隔时间Δt1, Δt2, …, Δt N-1, 可以分别求出轴距为L1=VΔt1, L2=VΔt2, …, L(N-1) =VΔt( N - 1) , 总轴距为L= L1+ L2+…+L( N - 1) ,从各轴距判断得出是单轴、双联轴、还是三联轴。

轴数则通过计算产⽣的脉冲个数得到。

3)轮距和轮数。

倾斜放置的压电薄膜与平⾏放置的压电薄膜夹⾓α已知, 当同⼀车轴的两侧轮胎( 分每侧单轮和每侧双轮) 先后通过压电薄膜时, 会产⽣2个不同脉宽的脉冲信号, ⾸先通过测出脉冲信号的宽度, 判断出是每侧单轮还是每侧双轮, 再测出两脉冲信号上升沿之间的时间间隔Δt’, 可以得出轮距为VΔt’; 然后再结合轴数, 判断出其他轴是每侧单轮还是每侧双轮, 对应轮距求法同理。

称重系统程序框图如图4所⽰:
图4 程序流程图
3.4 能量采集
随着⽆线传感器、⽆线通信⽹络以及MEMS技术的不断发展，与之相关的微能源技术得到⼈们更多的重视。

机械动能是⼴泛存在于⾃然界中的⼀种能量，获取⾃然界中的振动或压⼒能量是解决微能源问题的⼀种可⾏⽅案。

压电陶瓷锆钛酸铅( PZT ) 。

以其压电常数和机电耦合常数较⼤, ⽽且制造⼯艺成熟, 在压电振动能量采集装置中得到⼴泛应⽤。

但PZT 陶瓷易碎, 使得PZT 压电⽚在振动能量采集装置中不能承受⼤的应变。

研究表明, 在⾼频周期载荷作⽤下, 压电陶瓷极易产⽣疲劳裂纹, 发⽣脆性断裂, 其应⽤受到⼀定限制。

为了克服PZT变形⼩且易碎的缺陷和提⾼能量采集效率, 研究⼈员研制了柔性更⼤的压电材料聚偏氟⼄烯压电薄膜(简称PVDF) 。

PVDF是⼀种压电聚合体,相对于PZT 具有更好的柔韧性。

通过实验验证, 采⽤耐⽤的基体材料, 压电振⼦可以在更⾼频率的环境下运⾏, 更适合应⽤于交变载荷的场合。

由于PVDF的柔韧性能更好, 其使⽤寿命更长, 捕获的能量更多。

压电薄膜作为PZT的补充，为能量采集提供另外⼀条采集思路。

将柔性压电薄膜，实现道路交通、⼈⾏道、脚底等
d33模式下的压电能量采集。

该⽅案已经在⽇本地铁刷卡系统中的到应⽤，以供刷卡机需要的能量。